Tudomány Magyar

511

Tudomány Magyar

16 ^• 1

Kémiai Nobel-díj 2016 Néhány szó A fizika kultúrtörténeté-ről

Etológia, ember, társadalom I. Ferenc József és a megtorlás Konkoly Thege Miklós (1842–1916)

A Magyar Tudomány Ünnepe

1409 512

A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítás éve: 1840 177. évfolyam – 2016/12. szám

Főszerkesztő:

Csányi Vilmos Felelős szerkesztő:

Elek László Olvasószerkesztő:

Majoros Klára, Seleanu Magdaléna Lapterv, tipográfia:

Makovecz Benjamin Szerkesztőbizottság:

Bencze Gyula, Bozó László, Császár Ákos, Hamza Gábor, Ludassy Mária, Solymosi Frigyes, Spät András, Vámos Tibor A lapot készítették:

Gimes Júlia, Halmos Tamás, Holló Virág, Matskási István, Perecz László, Sipos Júlia, Szabados László, F. Tóth Tibor, Zimmermann Judit

Szerkesztőség:

1051 Budapest, Nádor utca 7. • Telefon/fax: (+36-1)3179-524, telefon: (+36-1)4116-253 matud@helka.iif.hu • www.matud.iif.hu

Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Postacím: 1900 Budapest.

Előfizetésben megrendelhető az ország bármely postáján, a hírlapot kézbesítőknél, www.posta.hu WEBSHOP-ban (https://eshop.posta.hu/storefront/),

e-mailen a hirlapelofizetes@posta.hu címen, telefonon 06-1-767-8262 számon, levélben a MP Zrt. 1900 Budapest címen.

Külföldre és külföldön előfizethető a Magyar Posta Zrt.-nél: www.posta.hu WEBSHOP-ban (https://eshop.posta.hu/storefront/), 1900 Budapest, 06-1-767-8262, hirlapelofizetes@posta.hu Belföldi előfizetési díj egy évre: 11 040 Ft.

Nyomdai munkák: Inferno Reklám Kft.

Felelős vezető: Farkas Dóra

Megjelenik: 11,4 (A/5) ív terjedelemben HU ISSN 0025 0325

TARTALOM

Tanulmányok

London Gábor: A parányi gépezetek nagy napja – kémiai Nobel-díj 2016 ……… 1410

Schiller Róbert: Pillantás a hídra. Néhány szó A fizika kultúrtörténeté-ről ……… 1419

Csányi Vilmos: Etológia, ember, társadalom ……… 1424

Hermann Róbert: I. Ferenc József és a megtorlás ……… 1435

Haszpra László: Mérföldkövek a légköri szén-dioxid-forgalomban ……… 1447

Zsoldos Endre: Konkoly Thege Miklós (1842–1916) ……… 1455

Vásáry István: Schütz Ödön (1916–1999) emlékezete ……… 1463

F. Romhányi Beatrix: Tükör által – homályosan? ……… 1468

Weisz Boglárka: A király pénze ……… 1479

Szekanecz Zoltán: Az ízületi gyulladás mint szív-érrendszeri rizikófaktor ……… 1485

Szabadfalvi József: Kilencven évvel ezelőtt hunyt el Kunz Jenő, az MTA levelező tagja …… 1496

Tudós fórum A Magyar Tudomány Ünnepe • Elnöki és főtitkárhelyettesi köszöntő / Kitüntetések …… 1501

A magyar csillagászat jövőképe a 2010-es évek második felére (az MTA Csillagászati és Űrfizikai Tudományos Bizottsága) ……… 1507

Az MTA új levelező tagjainak bemutatása Kollár László ……… 1517

Kovács Zoltán ……… 1519

Vélemény, vita Czigány Szabolcs – Fábián Szabolcs Ákos – Ernyes Tamás: Gondolatok a Felszíni vizek kutatása Magyarországon: helyzetkép és javaslatok címmel a Magyar Tudomány 2015. júliusi számában megjelent tanulmány kapcsán ………… 1521

Buzsáki György: Nők az Akadémián ……… 1527

Kitekintés (Gimes Júlia) ……… 1528

Könyvszemle (Sipos Júlia) A rózsa: egy növény a hagyományok és jelentések kereszteződésében (Somogyvári Lajos) … 1531 Összefüggések a talaj termékenysége és tápanyag-ellátottsága között (Németh Tamás) …… 1533

A marslakók bölcsessége (Vásárhelyi Mária) ……… 1534

1411

Magyar Tudomány • 2016/12

1410

London Gábor • Parányi gépezetek nagy napja…

A PARÁNYI GÉPEZETEK NAGY NAPJA – KÉMIAI NOBEL-DÍJ 2016 –

London Gábor

PhD, tudományos munkatárs,

MTA Természettudományi Kutatóközpont Szerves Kémiai Intézet london.gabor@ttk.mta.hu

dynein típusú motorfehérjék, amelyek kötött pályán mozognak fel és alá, hogy az általuk szállított rakomány célba érjen. De motoro- kat, illetve „fehérjeautomatikát” tartalmaznak a sejtfalon keresztüli anyagáramlá sért felelős transzmembrán fehérjék, vagy az adenozin- trifoszfátnak (ATP), a szervezet energiaraktá- rának szintéziséért felelős ATP-szintáz enzim komplex is.

Hasonlóan a makroszkopikus, autókban vagy mosógépekben megtalálható motorok- hoz, a molekuláris szintű motorok működé- séhez is energiabefektetés, valamiféle üzem- anyag jelenléte szükséges. Ilyen üzemanyag lehet például az imént említett ATP, amely- nek a bomlása során felszabaduló energia számos sejtszintű folyamat hajtóereje, de hőener gia, koncentrációkülönbség okozta ionáramlás vagy a fény fotonjainak energiája is szolgálhat energiaforrásként. Utóbbira példák a szemünkben működő fényérzékeny receptor fehérjék, amelyeken belül egy A-vita- min-szár mazéknak, a retinálnak fény hatásá- ra bekövetkező szerkezeti változása kapcsolja be a látás folyamatát.

Elnézve az élő szervezet komplexitását, hierarchikus felépítését, a térben és időben is irányított folyamatokat, amelyek segítségével a rendszer munkát tud végezni környezetén nemcsak molekuláris, de mikro- és makroszko- pikus szinten is, nem csoda, hogy a sejt mint az élő rendszerek egysége inspirációforrásként jelent meg a szintetikus kémia területén.

Vajon lehetséges-e olyan molekuláris rend- szereket felépíteni, amelyekben kémiai és/

vagy fényenergiával működő, irányított moz- gást végző nanoméretű gépezetek komplex feladatokat látnak el?

Erre a kérdésre keresve a választ alkotta meg Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart és Bernard (Ben) L. Feringa azokat a dinami- kus szerkezeteket, amelyek egy ilyen „nano- világ” alapvető építőelemei lehetnek.

Molekulaszerkezet-tervezés

A fizikai munkavégzés egyik kritikus eleme a mozgás, mégpedig az irányított mozgás. Nem sok haszna lenne egy autónak, ha a kerekei véletlenszerűen mozognának hol hátra, hol pedig előre. Molekuláris motorok tervezésé- nél sem a mozgás előidézése, hanem a mozgás irányítottságának a kikényszerítése volt az egyik fő kihívás. A molekuláris szintű irányí- tott mozgás megteremtésének egyik első megközelítése a mechanikusan összekötött molekulák (mechanically interlocked molecules, MIM) kifejlesztéséhez fűződik (1. ábra). Ezek- ben a rendszerekben az egyes molekuláris egy ségek nem erős kovalens kötéssel, hanem mechanikai kötéssel, láncszemekként kap- csolódnak egymáshoz. Ilyen típusú moleku- lák hatékony szintézisét valósították meg Sauvage és munkatársai (Dietrich-Buchecker et al., 1985), amely azután lehetővé tette a mechanikus kötésen alapuló kapcsolók és motorok kifejlesztését. Egy ilyen elrendezés-

ben, az ún. katenán és rotaxán típusú mole- kulákban az egyes komponensek egymáshoz képest elmozdulhatnak, azonban ez a mozgás még mindig csak véletlenszerű, főként a környezet hőtartalma alakítja (1. ábra).

A mozgás kontrollálásához szükség volt az aszimmetria mint szerkezeti elem beeme- lésére, azaz egymástól eltérő tulajdonságú

„állomások” beépítésére a szerkezetekbe. Ilyen módon az egyes komponensek egymáshoz képest felvett helyzete befolyásolhatóvá vált különböző kémiai és/vagy fizikai tényezők (üzemanyagok) változtatásával. Az első rever- zibilisen kapcsolható rotaxánt Stoddart és munkatársai fejlesztették ki (Bissell et al., 1994), amelyben a mozgás irányát a közeg sav/bázis tulajdonságai határozták meg (2.

ábra). A pozitív töltésű makrociklus kezdet- ben az A állomáson helyezkedik el, amely állomáson található nitrogénatomok elekt- ronpárjai erősebben hatnak kölcsön a mak- rociklus pozitív töltéseivel, mint a B állomás oxigénatomjai. Ha a rendszerhez savat (H⁺) adunk, az A állomás nitrogénjei protonálód-

Tanulmány

Bevezető

Molekuláris gépek nélkül nincs élet. Leg- alábbis jelen formájában nehezen elképzel- hető. Az élő sejtek komplex szerveződésének és működésének fenntartásáért számos, a természet által évmilliárdok alatt tökéletesített fehérjealapú, meghatározott program szerint működő parányi motor és kapcsoló felelős.

Biztosan sokan emlékeznek arra a középisko- lai biológiaórára, amikor először láttak zöld szemes ostorost mikroszkóp alatt (komment:

Próbálom kideríteni a hivatalos írásmódot, mert tankönyvekben, tanulmányokban, el- fogadható forrásokban még ennyiféle írás- módot találtam: zöld szemes ostoros, zöld sze- mes-ostoros, zöld sze mesostoros, zöld-szemesosto- ros, zöldszemes ostoros.) A sejtből kinyúló ostor vagy flagellum bonyolult szerkezetű, gyors és irányított forgó mozgásra képes szer kezet, a flagelláris motor része. Ennek a mo tornak a segítségével tud a sejt fényforrás vagy táp- anyag felé haladni. Kevésbé könnyen észlel- hetők, de fontos példák a sejteken belü li ak tív transzportért felelős miozin, kinezin, illetve

1. ábra • Mechanikusan összekötött moleku- lák típusai. (a) Katenánok: egymásba fűzött nagygyűrűs molekulák (makrociklusok). (b) Rotaxánok: egy makrociklus és egy hosszú, szálszerű molekula mechanikus kombináció- ja. A szürke gömbök nagy térkitöltésű cso- portokat jeleznek, amelyek megakadályozzák, hogy a gyűrű elhagyja a szálat. A nyilak az egyes komponensek lehetséges mozgási irá-

nyait jelzik. (Forrás: Kay et al., 2007)

1413 1412

nak, ezáltal pozitív töltésűvé válnak. A makro- ciklus pozitív töltései és az A állomás pozitív töltései egymást taszítják, aminek hatására a makrociklus a B állomásra siklik át. A folya- mat megfordítható: ha valamilyen bázis (B^-) hozzáadásával eltávolítjuk a pozitív töltést az A állomás nitrogénatomjairól, a makrociklus visszatér az A állomásra.

Ezt követően kezdődött meg a rotaxánok mint transzlációs motorok térhódítása a mole- kuláris kapcsolók és motorok területén (Ama- bilino – Stoddart, 1995). Nemcsak sav/bázis alapú, de elektrokémiailag és fénnyel meg- hajtott rendszereket is kifejlesztettek (Kay et al., 2007).

Nem sokkal az irányított transzlációs mozgásra képes rotaxánok megjelenését kö- vetően Feringa és munkatársai (Koumura et al., 1999) kifejlesztették az első irányított for gó- mozgásra képes molekuláris motort (3. ábra).

Ezen motorok első példái, az ún. első gene- rációs motorok, egy központi kettős kötés

körül naftalin egységeket tartalmaztak, illetve két királis metil-csoportot, ami az aszimmet- riát biztosította. A központi kettős kötés mint tengely körüli egyirányú rotációt fény- és hőenergia betáplálása idézi elő két fotokémi- ai cisz-transz izomerizációs és az ezeket köve- tő termális átrendeződési lépéseken keresztül.

A motor működésében kulcsszerepe van az egyes állapotok relatív termodinamikai stabi- litásának. A metil-csoportok kevésbé zsúfolt, axiális (Me_ax) térállása esetén a központi ket- tős kötés kevésbé „kicsavarodott”, ezért ezek- ben az állapotokban a molekula energiája alacsonyabb. A folyamat első lépésében az A molekula UV-sugárzás hatására átalakul a B formába fotokémiai izomerizációs folyamat- ban. Megfelelő hőmérsékleten a B állapot spontán, termális folyamatban C-vé alakul.

Ebben a lépésben az aromás naftalin moleku- larészek „átsiklanak” egymáson, ennek ered- ményeképpen a metil-csoportok az ekvato- riális (Meeq) térállásból újból a kedvezménye-

zett axiális állásba jutnak. A C forma UV- besugárzás hatására D állapotba kerül, amely- ből termális átrendeződéssel a molekula a kezdeti A állapotba jut, teljesítve egy 360°-os fordulatot. Fontos kiemelni, hogy a fotoké- miai izomerizáció egyensúlyi folyamat az A és B, valamint a C és D állapotok között, míg a termális lépések irreverzibilisek, ami bizto- sítja a forgás egyirányúságát. Továbbá, a szte- reocentrumban lévő metil szubsztituensek konfigurációja határozza meg a forgás irányát.

Röviddel a 3.a ábrán bemutatott első ge- nerációs motorok kifejlesztése után megjelen- tek a második generációs motorok (3.b ábra), amelyekben a molekula kettős kötéshez kapcsolódó két fele szerkezetileg különböző.

A második generációs szerkezetek forgási me- chanizmusa megegyezik a korábbi verzióéval, ám a nagyobb szerkezeti aszimmetria kedvez a molekulák sokszínűbb szintetikus módosí- tásának, ami kulcsfontosságú alkalmazható- ságuk szempontjából. A szintetikus módosít-

hatóság meghatározó szerepet játszott a mo- torok forgási sebességének szabályozásában is. Mivel a fotokémiai izomerizáció nagyon gyors folyamat, a termá lis lépés határozza meg a motor sebességét a rotáció során. Az első- ként közölt molekulák forgási ciklusában a leglassabb termális lépés mintegy 400 órát vett igénybe szobahőmérsék leten. Ha ezt össze- vetjük az ATP-szintáz 130 fordulat/másod- perces sebességével, egyértelmű, hogy szük- séges volt a szintetikus motorok meggyorsí- tása. A sebesség szabályozására tett erőfeszíté- sek olyan széles portfóliót ered ményeztek, amelyben az 1000 év/ciklust meghaladótól a MHz nagyságrendű forgási sebességre képes szerkezetek is megtalálhatók (Feringa, 2007).

Komplex struktúrák, kezdeti alkalmazások A prototípusok megjelenését nagy számban

követték az irányított és reverzibilis mozgá- sokra képes új szerkezetek. Az újabb és újabb variációk (molekuláris ollók, csipeszek, liftek,

2. ábra ^• Az első irányítottan kapcsolható rotaxán működési mechanizmusa (Bissell et al., 1994) 3. ábra • Molekuláris rotációs motorok típusai és működési mechanizmusuk (Koumura et al., 1999).

1415

Magyar Tudomány • 2016/12

1414

London Gábor • Parányi gépezetek nagy napja…

propellerek, váltók, fékek, szelepek stb.) szin- tézisénél azonban jóval érdekesebb kérdéssé vált olyan molekulák, illetve molekuláris rendszerek előállítása, amelyek valamiféle munkavégzésre is képesek (Browne – Feringa, 2007). Az utóbbi szűk tíz évben egyre jobban kirajzolódott az a kétféle megközelítés, amely napjaink két fő irányvonala a munkavégzést tekintve. Az egyik irány olyan molekulák elő állítása, amelyek a saját – molekuláris – szintjükön képesek hasznos feladatokat ellát- ni. Ilyen feladat lehet más nanostruktúrák előállítása, vagy, a természetes enzimekhez hasonlóan, kémiai reakciók katalizálása. A

másik megközelítés a molekulárisnál jóval nagyobb mérettartományokat célozza. Mik- ro- és makroszkopikus szintű hatásokat egyet- len molekula nem képes kiváltani, ezért ez az irányvonal molekulák sokaságát integrálja, hogy azok együttes, szinkronizált mozgása kihasználhatóvá váljon. Nem meglepő mó- don, a molekulákkal történő munkavégzés első példái is a díjazottak nevéhez köthetők.

Az irodalomban talán az egyik legösszetet- tebb rendszert molekuláris szintű, hasznos- nak tekinthető munkavégzésre Jiaobing Wang és Feringa fejlesztették ki (2011), amely egy első generációs molekuláris motoron alapuló

sztereoszelektív katalizátor (4.a ábra). Ebben az esetben egyetlen molekulával lehetséges kontrollálni, hogy egy kémiai reakció végbe- menjen-e, és ha végbemegy, akkor milyen térszerkezetű termék keletkezzen. Ehhez a többszintű katalitikus szabályozáshoz mind- össze fény és hőenergia befektetése szükséges.

A pontosan megtervezett és előállított molekula két alegységet tartalmaz (Aw és B), amelyek egymáshoz közel kerülve kémiai

reakciókat képesek kiváltani. Az I-es állapot- ban, mivel A és B egymástól távol helyezke- dik el, a motormolekula katalitikusan inaktív (4.b ábra). UV fénnyel való besugárzás akti- válja a katalitikus hatást, mivel a fotokémia- ilag kiváltott izomerizáció térközelbe hozza a kémiai átalakításért felelős A és B csoportokat.

A fény hatására előállt II-es állapotban a motor (M)-típusú helikális szerkezetű, amely térszerkezet meghatározza a molekula által

4. ábra • (a) a Wang és Feringa által kifejlesztett katalitikus molekuláris motor szerkezete (b) a katalizátor működésének sematikus ábrája (Forrás: Wang – Feringa, 2011).

(c) a motor által katalizált modellreakció.

5. ábra • (a) a molekuláris izomként funkcionáló rotaxán szerkezete és sematikus ábrázolása (b) a nagyszámú rotaxánnal módosított vékony aranylemez a molekulák együttes mozgásá-

nak eredményeként meghajlik (Forrás: Liu et al., 2005).

1417 1416

katalizált reakció termékének térszerkezetét is (4.c ábra). A II-es forma megfelelő hőmér- sékleten spontán termális folyamatban III- má rendeződik át, amely forma térszerkeze- tére az előzővel ellentétes (P)-helicitás jellem- ző. Így, a molekula ebben a formájában az előzővel ellentétes (tükörképi) térszerkezetű molekula előállítását teszi lehetővé ugyanazon reakcióban. Érdemes megjegyezni, hogy a természetben megtalálható enzimek, illetve más, szintetikus szelektív katalizátorok döntő többsége hasonló reakciókban csak az egyik térszerkezetű molekulát képes előállítani.

A molekuláris mérettartományban végez- hető munka kutatásával párhuzamosan, a molekulák sokaságának szinkronizált mozgá- sát vizsgáló kísérletek is fejlődtek. Ezeknek a kísérleteknek a célja, hogy nagyszámú mo le- kula együttes mozgását valamilyen mikro- vagy makroszkopikus szinten érzékelhető változás előidézésére lehessen fölhasználni.

A molekuláris izmok koncepcióját Stod- dart és munkatársai alkalmazták először a gyakorlatban (Liu et al., 2005). Az általuk felépített rendszerhez az inspirációt a váziz- mok feszülése és elernyedése adta. Az izom lényegében egymáson hosszirányban „el- csúszni” képes párhuzamos fehérjemoleku- lákból áll. Az egyes komponensek egymáshoz viszonyított lineáris mozgása alapvető hason- lóság Stoddart rotaxánjai és az izmok között.

Ez azonban még nem elég ahhoz, hogy a rotaxánmolekulák az izmokhoz hasonlóan értékelhető fizikai munkát végezzenek. A munkavégzés megvalósításához Stoddart és munkatársai egy olyan molekulát állítottak elő, amely négy, páronként azonos állomást (A és B) tartalmazott (5.a ábra). Az egymással szomszédos A és B állomások között két mak- rociklus relatív helyzete változtatható volt a molekula kémiailag vagy elektrokémiailag

létrehozott töltöttségének megfelelően. Ha az A állomások pozitív töltésre tettek szert, a

pozitív töltésű gyűrűk a B állomásra siklottak, azaz egymáshoz közeledtek; ha az A állomás töltése megszűnt, a gyűrűk visszatértek kezde- ti állapotukba, azaz egymástól távolodtak. A molekulatervezés másik fontos eleme, hogy az egyes gyűrűk hozzákapcsolhatók valami- lyen (szilárd) felülethez a C egységen keresz- tül. Könnyen belátható, hogy ha a gyűrűket rögzítjük egy jóval nagyobb objektumhoz, miközben egymástól távol, az A állomáson tartózkodnak, az egymás irányába (B állomás- ra) történő elmozdulásuk során erőt fejthet- nek ki a mikro- vagy makroszkopikus objek- tumra. Ha nagyon nagy számú molekula fejt ki erőt, elképzelhető, hogy ez mikro- vagy makroszkopikus változásban is megnyilvánul.

Ezt a hipotézist megvizsgálandó, Stoddarték nagyszámú rotaxánt rögzítettek vékony, 500×

100×1 mikrométeres aranyszálakhoz, és elő- idézték az egyes gyűrűk egymás irányába való elmozdulását (5.b ábra). Valóban, az aranyszá- lak a mintegy 6 milliárd molekula erőkifejté- sének köszönhetően mérhetően meghajlottak, és ez a fizikai változás a gyűrűk helyzetének változtatásával oda-vissza előidézhetővé vált.

A molekuláris rotációs motorok sokaságá- val való munkavégzés egyik illusztratív példá- ja a makroszkopikus felületek nedvesedésének fény- és hőenergiával való dinamikus változta- tása (Chen et al., 2014). Tetszés szerint változ- tatható nedvesedési tulajdonságokkal bíró felületek alkalmazhatók lehetnek szervetlen határfelületek és élő sejtek közti kölcsönha- tások befolyásolására, vagy éppen öntisztuló rétegek kialakításában tölthetnek be szerepet.

Ahhoz azonban, hogy egy makroszkopi- kus szilárd felület tulajdonságait molekuláris motorokkal befolyásolni tudjuk, nagyszámú motort úgy kell a felülethez rögzíteni, hogy

a tengelyként szolgáló központi kettős kötések a felülettel párhuzamosan álljanak (London et al., 2009). Ezáltal lehetővé válik a moleku- lák rotoregységére kötött különböző tulajdon- ságú funkciós csoportok határfelülethez vi- szonyított orientációjának kontrollált változ- tatása. Amennyiben vizet taszító, hidrofób funkciós csoportokat a felületen elhelyezkedő vízcsepp felé irányítunk, a vízcsepp „összehú- zódik”, csökkenti a közte és a hidrofób felü- let közti érintkezés kiterjedését. Ha e csopor- tokat a vízcsepp elől „elrejtjük”, az job ban szétterül a már kevésbé taszító felületen.

A fenti példák valamelyest illusztrálják a molekuláris motorokban és kapcsolókban rejlő lehetőségeket a molekuláris mérettarto- mányoktól a mikro- és makroszkopikus szintekig, de semmi esetre sem kimerítőek a terület mélységét illetően. Az itt röviden be- mutatott dinamikus rendszerekkel ugyanis megvalósítható molekuláris és makroszkopi- kus irányított mozgás négykerék-meghajtású nanoautó és üveglapon irányíthatóan ván- dorló folyadékcsepp formájában, de ezek adják egy lehetséges molekuláris számítógép memóriaelemeit is. Alkalmazásaik biológiai

6. ábra • Makroszkopikus felületek nedvesedési tulajdonságainak változtatása a felülethez kötött nagyszámú motor segítségével. A rotorokon található hidrofób csoportok felülethez viszonyí-

tott helyzete fény- és hőenergia befektetésével változtatható.

1419

Magyar Tudomány • 2016/12

1418

rendszerekben is megállíthatatlanul terjednek az utóbbi években fejlődésnek indult optoké- miai genetika (Fehrentz et al., 2011) és fotofar- makológia területén (Velema et al., 2014), vagy mint a gyógyszermolekulákat célba jut tató nanokapszulák mozgó alkatrészei. So- kan gondolhatják, hogy ezek mind csupán laboratóriumi kuriózumok, hiszen már az egyszerűbb komponensek előállítása is szin- tetikus kémiai tour de force. Ez talán részben igaz, azonban a terület alapvető elemei megta- lálják útjukat a laboratóriumon kívüli világba.

Ennek egy példája a Nissan és japán kutatók közös fejlesztéseként megjelent önregeneráló mobiltelefon-bevonatok, amelyek képesek

felületi karcolásokat önmaguktól kijavítani.

Ezeknek a bevonatoknak az anyaga egy rotaxán alapú polimer (Noda et al., 2014).

A 2016-os kémiai Nobel-díj a molekuláris gépezetek korának hajnalát jelzi. A következő évtizedek minden bizonnyal a tudományág további virágzását hozzák, annál is inkább, mivel várhatóan még inkább az alkalmazá- sokra terelődik a hangsúly. Emiatt is sajnála- tos, hogy a hazai kémiai kutatási portfólióból a dinamikus molekuláris rendszerek vizsgá- lata csaknem teljesen hiányzik.

Kulcsszavak: kémia, Nobel-díj, rotaxán, kate- nán, molekuláris motor

IRODALOM

Amabilino, David B. – Stoddart, J. Fraser (1995): Inter- locked and Intertwined Structures and Super struc- tures. Chemical Reviews. 95, 2725–2828. DOI:10.1021/

cr00040a005

Bissell, Richard A. – Cordova, E. – Kaifer, A. E. et al.

(1994): A Chemically and Electrochemically Switchable Molecular Shuttle. Nature. 369, 133−137.

doi:10.1038/369133a0

Browne, W. R. – Feringa, Bernard L. (2007): Making Molecular Machines Work. Nature Nanotechnology.

1, 25–35. doi: 10.1038/nnano.2006.45

Chen, Kuan-Yen – Ivashenko, O. – Carroll, G. T. et al. (2014): Control of Surface Wettability Using Tripodal Light-activated Molecular Motors. Journal of the American Chemical Society. 136, 3219−3224.

DOI: 10.1021/ja412110t

Dietrich-Buchecker, Christiane O. − Sauvage, J. P. − Kern, J. M. (1985): Templated Synthesis of Inter- locked Macrocyclic Ligands: The Catenands. Journal of the American Chemical Society. 106, 3043–3045.

DOI:10.1021/ja00322a055

Fehrentz, Timm – Schönberger, M. – Trauner, D.

(2011): Optochemical Genetics. Angewandte. Chemie.

International Edition. 50, 12156–12182. DOI: 10.1002/

anie.201103236

Feringa, Ben L. (2007): The Art of Building Small:

From Molecular Switches to Molecular Motors. The Journal of Organic Chemistry. 72, 6635–6652.

DOI:10.1021/jo070394d

Kay, Euan R. – Leigh, D. A. – Zerbetto, F. (2007):

Synthetic Molecular Motors and Mechanical Ma- chines. Angewandte Chemie. International Edition.

46, 72−191. DOI: 10.1002/anie.200504313 Koumura, Nagatoshi – Zijlstra, R. W. J. – van Delden,

R. A. et al. (1999): Light-driven Monodirectional Mo lecular Rotor. Nature. 401, 152–155. DOI:10.1038/

43646

Liu, Yi – Flood, A. H. – Bonvallet P. A. et al. (2005):

Linear Artificial Molecular Muscles. Journal of the American Chemical Society. 127, 9745–9759. DOI:

10.1021/ja051088p

London Gábor – Carroll, G. T. – Landaluce, T. F. et al.

(2009): Light-driven Altitudinal Molecular Motors on Surfaces. Chemical Communications. 1712–1714.

DOI:10.1039/B821755F

Noda, Yumiki – Hayashi, Y. – Ito, K. (2014): From Topological Gels to Slide-ring Materials. Journal of Applied Polymer Science. 131, 40509. DOI: 10.1002/

app.40509

Velema, Willem A. – Szymanski, W. – Feringa, B. L.

(2014): Photopharmacology: Beyond Proof of Principle. Journal of the American Chemical Society.

136, 2178–2191. DOI:10.1021/ja413063e

Wang, Jiaobing – Feringa, Ben L. (2011): Dynamic Control of Chiral Space in a Catalytic Asymmetric Reaction Using a Molecular Motor. Science. 331, 1429–1432. DOI: 10.1126/science.1199844

Schiller Róbert • Pillantás a hídra

PILLANTÁS A HÍDRA

Néhány szó A fizika kultúrtörténeté-ről*

Schiller Róbert

a kémiai tudományok doktora MTA Energiatudományi Kutatóközpont

Simonyi Károly az ajándékot, amelyet olvasói- nak készített, gondosan becsomagolta. Nyil- ván meg akart lepni bennünket. A könyv fülszövege − idézet Staar Gyula nagyszerű interjúkötetéből − igencsak szerényen hang- zik. A szerző korábbi egyetemi előadásaira emlékszik: „A lankadó figyelem élénkítésére, pihentetésre én történelmi anekdotákat, ver- seket mondtam. Ezek mindig kapcsolatban álltak a konkrét szakmai mondanivalómmal.

Pontosan emlékszem arra az időre, amikor elhatároztam, hogy ebből a »lazításból« könyv lesz, megírom a fizika kultúrtörténetét.” Eny- nyi lenne tehát ez a munka? Anekdotafüzér és szép idézetek gyűjteménye?

Az első fejezet ennél már magasabbra teszi a mércét. C. P. Snow könyvéből, A két kultúrából idéz: „Azt hiszem, hogy a nyugati társadalom egészének intellektuális élete egy- re növekvő mértékben hasad szét két szemben álló csoportra […] az irodalmárok az egyik oldalon, a tudósok – és ezek között is elsősor- ban a fizikusok – a másikon.” A tétel illuszt- rálására Snow azt az őt elrettentő tapasztalatát idézi fel, hogy művelt íróemberek társaságá- ban senki nem tudta, micsoda a termodina-

* A Simonyi Károly születésének 100. évfordulója alkalmá- ból az MTA székházában 2016. október 18-án tartott emlékülésen elhangzott előadás szerkesztett változata.

mika második főtétele. Olyan ez – írja – , mint ha egy fizikus semmit se tudna Shake- speare-ről! A tapasztalat szomorú valóban, de nem hiszem, hogy A fizika kultúrtörténete ennek a dichotómiának lenne az orvossága.

Nem ezért írták!

A tudománytörténész, George Sarton írta egyszer, egyebek mellett nyilván saját területé- nek az igazolására is, hogy „a tudománytör- ténet jelenti az egyetlen hidat a természettudo- mányok és a humaniórák között”. Ez bizo- nyára igaz is, lényeges is. De Simonyi könyve nem a fizika tudományának a története, amely kitekint a humaniórákra. A könyv az emberi kultúra története, amelynek tenge- lyébe a szerző a fizikai megismerést helyezi.

Nézzük például Quentin de la Tour fest- ményét, a Mme. Pompadourt ábrázoló szép portrét! Az előkelő gazdagságot sugalló kör- nyezetben Simonyi észreveszi a hölgy mellet- ti asztalon álló könyveket – a Nagy Enciklo- pédia köteteit. A királyi szerető, aki bi zonnyal nem pusztán szellemi kiválóságának köszön- hette fejedelmi pályafutását, gondot fordított arra is, hogy korszerűen művelt asszonynak tekintsék; ezt a felvilágosodás korának nagy művével akarta demonstrálni. A francia arisz- tokrácia világát, egy egész kor szak szellemi szerkezetét állítja elénk a kép – a képaláírás még a közelítő forradalmat is meg idézi.

1421 1420

A korszak a fizikának is nagy ideje. A me- chanika alapjait Isaac Newton már egy évszá- zaddal korábban lefektette, a természettudo- mányos gondolkodás módját, ha implicit módon is, meghatározta. Ezek hatása meg- fellebbezhetetlennek látszott – az ő eredmé- nyeit és módszereit próbálták meg alkalmaz- ni a tudomány minden területén. A hő je- lenségeinek a vizsgálata sem volt kivétel. A XVIII. század második felétől meginduló fejlődést, amely az elemi fogalmak tisztázásá- val kezdődött, majd a hő- és mechanikai energia egyenértékűségének felismerésével, tehát az energiamegmaradás elvének kimon- dásával tetőzött, Simonyi egy folyamatábrán szemlélteti (1. ábra).

1. ábra

Romantikus természetfilozófiáról szólva elsősorban talán Friedrich Schellingre gondolt, akiről a könyv egy másik helyén azt írja, filozó- fiájában az összes természeti jelenséget egyet- len ősprincípium megjelenési formájának te- kintette. Ez a szemlélet, amely korának ro- mantikus költészetéből is táplálkozhatott, sok fizikus gondolkodását szabadította ki a naiv, mechanikus materializmus korlátai közül.

A newtoni program megvalósításán két törekvést is érthetünk. Egyfelől a jelenségek matematikailag szabatos leírását akarja elérni, másfelől tömeggel bíró anyagi részek viselke- désén alapuló, szemléletes modelleket kíván alkotni. Ez a két igény a hőjelenségek világá- ban hosszú időn át kizárta egymást.

Első lépés a mérhető mennyiségek értel- mezése, fogalmi meghatározása volt. Angliá- ban Joseph Black, Franciaországban Antoine Lavoisier és Pierre-Simon Laplace kísérletei vezettek el hő és hőmérséklet megkülönböz- tetéséhez, a fázisátmeneteket kiváltó látens hő megfigyeléséhez. Egyik legfontosabb ered- ményük annak a felismerése volt, hogy izolált rendszerekben a hő megmarad. A melegebb edényből a hidegebbe veszteség nélkül lehet átvinni a hőt – akárcsak valami folyadékot.

Ez alapvetőnek bizonyult. Két megmaradó mennyiséget ismertek abban a korban: a tö- meget, és az „eleven erőt”, mai nevén a kine- tikus energiát. A hő tehát lehet anyag, és lehet kinetikus energia, a két lehetőség fenomeno- logikusan egyenértékűnek látszott.

Azt, hogy a hő a mozgással áll kapcsolat- ban, már korábban is sokan gyanították:

Francis Bacon egyszerű megfigyelések alapján, Leonhard Euler és Gottfried Wilhelm Leibniz

a súrlódással vagy rugalmatlan ütközésekkel kapcsolatos hőmérséklet-emelkedést értel- mezve jutott arra a következtetésre, hogy a hő – mozgási energia. A döntő, „majdnem”

kvantitatív bizonyítékot Rumford gróf (Ben- jamin Thompson) ágyúfúrási kísérletei szol- gáltatták. Tompa hegyű fúróval fúrt ágyúcsö- veket, és azt tapasztalta, hogy a cső hőmérsék- lete megemelkedett anélkül, hogy anyagában bármi szemmel látható változást szenvedett volna. Megmérte a felmelegedett ágyúcső tömegét is, és semmilyen mérhető tömegnö- vekedést nem tapasztalt. Ha a hő tömeggel

bíró anyagi fluidum, akkoriban használt nevén caloricum volna, úgy áramlását tömeg- változásnak kellene kísérnie.

Mindez erős érv lehetett az energetikai értelmezés mellett, összhangban is állt a me- chanikai modellel szemben támasztott igé- nyekkel. A kor ismereteinek szintjén azonban alkalmatlan volt arra, hogy kvantitatív elmé- let, analitikusan tárgyalható leírás alapja le- hessen. Erre a caloricummodell megfelelőbb- nek bizonyult. Simonyi táblázatban foglalta össze a két modell teljesítőképességét (2. ábra).

Úgy tanultuk, Nicolas Carnot-nak a hő- erőgépek hatásfokára irányuló vizsgálatai ve- zettek el a termodinamika II. főtételéhez, a termikus folyamatok irreverzibilitásának ki- mondásához. Most megtanulhatjuk, hogy ez csak erős megszorításokkal igaz. Carnot ugyanis úgy gondolta, hogy a Q mennyiségű caloricum a magasabb T₂ hőmérsékletről lefolyik az alacsonyabb T₁ hőmérsékletre, a mennyisége azonban megmarad. Ezért a hatásfokot így kell kiszámítanunk:

η = Q(T₂-T1)/QT2 = 1 – T1/T2. Carnot ugyanis a lefolyó víz és az áramló hő munkavégzése között tökéletes analógiát tételezett fel, épp olyat, amilyenre később az elektromos áram munkája kapcsán gondol- tak. Ahogyan a víz állandó M tömege azért végez munkát, mert a nehézségi erő irányában áramlik, vagy az állandó mennyiségű elekt- romos töltés azért, mert a csökkenő elektro- mos potenciál felé mozdul el, úgy áramlik az állandó mennyiségű caloricum a melegebb

helyről a hidegebb felé. De hát ez nincsen így – a helyes viszonyokat a 3. ábra mutatja. A termodinamika szerint a hő nem marad meg, ha munkavégzésre fogjuk. A hatásfok helyes, a főtételeken alapuló kifejezése:

η= (Q₂- Q)₁/Q₂,

amit egyesítve hő és hőmérséklet arányossá- gával, Q₁/Q₂ = T₁/T₂ , eljutunk Carnot fent írt kifejezéséhez. Vagyis Carnot helytelen el- gondolás alapján, a caloricumelmélet tévedé- sét alkalmazva jutott helyes, tapasztalatilag igazolható eredményre. Ez a tévedés fontos érv volt a caloricummodell mellett.

hőáramlás sugárzás rejtett hő súrlódási

hő kvantitatív tárgyalás lehetősége

hőszubsztancia igen igen igen nem igen

kinetikus elmélet igen nem nem igen nem

2. ábra

3. ábra

1423

Magyar Tudomány • 2016/12

1422

Schiller Róbert • Pillantás a hídra Talán ennél is többet nyomott a latban

Joseph Fourier hővezetési elmélete. Legegysze- rűbb formájában ez egy állandó keresztmet- szetű szilárd rúdban, a rúd tengelye mentén kialakuló hőmérséklet-eloszlásra vonatkozik, ha a rúd két végének hőmérséklete eltér egymástól. A hőátadás sebességére: a hőáram- ra, tehát a dQ/dt deriváltra egy tapasztalati, konstitutív egyenletet írt fel:

dQ/dt = - κ∂T/∂x .

A kifejezés szépen értelmezhető a hőmér- sékletesés mentén áramló caloricum elkép- zelésével. Ezt a hő megmaradásának tételével egyesítve jutott a hővezetés differenciálegyen- letéhez (itt c a fajhő, r a sűrűség jele):

∂T/∂t= κ/cρ ∙ ∂²T/∂x².

Az egyenlet megoldásait keresve alkotta meg a Fourier-sorok módszerét is. A diffe- renciálegyenlet megoldásai teljes általános- ságban és nagy pontossággal adják meg a hőmérséklet-eloszlásokat, a legkülönfélébb feltételek mellett. Ez az eredmény is a caloricumelképzelés mellett szólt.

A súrlódásból keletkező hő jelenségére azonban ez a modell nem adott választ. Ké- sőbb, abban a korszakban, amelyben egyfelől az anyag diszkontinuus felépítését egyre ko- molyabban kellett venni, amikor, Simonyi szavával, a kémia lett az anyag atomos szer- kezetének propagálója, másfelől amikor Ju- lius R. Mayer, majd James Joule nyomán vilá- gossá vált, hogy a hő pusztán egy fajtája az energiának, hozzá kellett fogni a kinetikus modell matematikai leírásához.

James C. Maxwell az alkalmazott mecha- nika egy érdekes példájaként számította ki a gázok részecskéinek egyensúlyi sebességelosz- lását. Ludwig Boltzmann-nak a részecskék se bességére vonatkozó mérlegegyenlete a kis nyomású gázokban lejátszódó transzportfo- lyamatokról is számot tudott adni. Ennek a

fejlődésnek a csúcspontja talán az úgynevezett H-teoréma kidolgozása volt. A következőről van szó.Legyen f(v)dv annak a valószínűsége, hogy egy részecske sebessége v és v+dv közé esik. Boltzman úgy találta, hogy az alábbi, H-val jelölt integrál

H = ∫f(v)lnf(v)dv

az idő előrehaladtával monoton csökken egy határérték felé. A határérték pedig az entrópia (-1)-szeresével arányos:

lim H ~ -S t→∞

Ez nagyon fontos eredmény volt – a ki- netikus modell, úgy látszott, értelmezni tudja a termodinamikai folyamatok időbeli lefolyását, azt például, hogy a hő mindig a melegebb helyről áramlik a hidegebb felé. Ezt az egyirányúságot fejezi ki matematikailag a Rudolf Clausius bevezette entrópiafüggvény

is; ez eredeti megfogalmazásában csak mak- roszkóposan megfigyelhető mennyiségek – hő, hőmérséklet, nyomás, térfogat, koncent- ráció – ismeretét igényelte, ezek mikrofizikai (atomi-molekuláris) magyarázatára nem tért ki. A H-teoréma úgy látszott, értelmezni tudja az entrópia növekedését a részecskék ütközésének a szintjén.

Ez azonban csak igen korlátozottan, egy speciális modell keretein belül igaz. A részecs- kék csak tökéletesen rugalmasan ütközhetnek egymással, kizárólag páros ütközések fordul- hatnak elő, és két ütközés között semmilyen korreláció nem állhat fenn – az ütköző részecs- kék felejtsék el a múltjukat. Mindmáig nem sikerült általánosítani a H-teorémát, ebben az értelemben a mikrofizikai modell ma is adósa a makroszkópos termodinamikának.

Ám Boltzmann tovább gondolkodott.

Simonyi idézi kijelentését: „A hő mechanikai elméletének problémái egyúttal a valószínű- ségelmélet problémái is.” Bevezette a termodi-

namikai valószínűség fogalmát, s ennek loga- ritmusát arányosnak tekintette az entrópiával:

S = klnW .

(A k együttható mindmáig Boltzmann nevét viseli.) Az entrópia növekedése tehát a valószínűség növekedését jelenti. Az azonban, hogy a valószínűség nő, nem következik a valószínűség-számítás semelyik tételéből. Ez független, az entrópia növekedésének tételé- vel egyenértékű kijelentés. Simonyi a könyv egy más helyén igen tömören összefoglalja a kanti filozófiából azt, amiről úgy tartotta, ér dekes és értékes lehet a fizikusnak. Itt ír a korábbi ismeretekből nem következő, a prio- ri szintetikus ítéletekről; igazából ezek viszik előre a tudományt. Azt hiszem, a fenti össze- függést ilyen ítéletnek kell tartanunk.

Az entrópianövekedés tételéből jutott Clausius a hőhalál eszméjére: mivel minden energiafajta végül hővé alakul, a világegyetem hőmérséklete minden határon túl növekszik, elpusztul a világ. A korszak, a XIX. század vége hajlamos volt az ilyenfajta pesszimizmus- ra, készségesen befogadta ezt az eszmét. A könyvben egy francia szimbolista költő, Jules Laforgue egy versét olvashatjuk, amely címe és tartalma szerint Gyászinduló a Föld halá- lára. Egy versszakot írok csak ide belőle, Kál- noky László fordításában:

Ó, gyászkísérete Pazar fényű Napoknak, hullámozz, kavarogj aranyszínű tömeg, holt húgotok mögött, kit most temetni fognak, lassan, búsan, komor zenére lépjetek.

Nem az entrópiatörvénytől lett gyászos a költő, nem a verstől a fizikus. Ilyen volt az egész korszak.

Két könyv előszavából másolok ide egy- egy bekezdést. A múlt század első felében írta Babits Mihály hatalmas áttekintését az európai

irodalom történetéről. Így kezdi: „A világiro- dalom benne él minden olvasójában, s én megpróbálom itt leírni úgy, ahogy énbennem él. Nem csinálok hozzá semmi új tanulmányt.

Azt kérdezem magamtól: mi hatott, mi maradt meg bennem?” A múlt század második felében írta Simonyi hatalmas áttekintését a fizika kultúrtörténetéről. Így kezdi: „A jelen könyv írója […] hivatásszerűen fizikával, mű szaki tudományokkal és azok pedagógiájával foglal- kozva örömét lelte a történelem tanulmányozá- sában, és ezt az örömét szeretné másokkal is megosztani.”

Mindkét könyv hatalmas ismeretanyag- ból táplálkozik, az olvasottak mély megérté- séről szól. Ennek ellenére nagyon is szubjek- tív munka mindkettő. Mert abból az öröm- ből táplálkozik, ami a szerzőiket olvasás, ta- nulás, megértés közben elfogta.

Johann Wolfgang Goethe utolsó versére lehet itt gondolnunk. A tornyában őrködő, éles szemű Lynkeusról szól (Ballagi Zsig- mond fordítása).

Lynkeus, a toronyőr Én nézni születtem,

vagyok, aki lát, tornyomé a lelkem, de szép a világ.

Messzire látok, s szemem itt kutat, a csillagvilágot, erdőn a vadat.

Mindenben azt látom, a díszt, mi örök, s mert tetszik világom így megbékülök.

Boldog szemeim, ti, volt oly sok a kép, megeshet már bármi, minden csodaszép.

A látás gyönyörűségét köszöni A fizika kultúrtörténeté-nek minden olvasója.

Kulcsszavak: fizikatörténet, művelődéstörténet, elméleti fizika

1425 1424

ETOLÓGIA, EMBER, TÁRSADALOM

Csányi Vilmos

az MTA rendes tagja ELTE Etológiai Tanszék

Gondolkodásra utaló viselkedési jegyeket nem ismertek fel, és a 19. században határo- zottan az volt az állatokkal foglalkozó kutatók véleménye, hogy gondolkodásra képtelenek, ez a tulajdonság csak az ember adottsága, mint ezt annak idején, 1633-as filozófiai fejte- getéseiben René Descartes is kifejtette.

A 20. század harmincas éveiben kezdtek bio ló gusok, Niko (Nikolaas) Tinbergen és Konrad Lorenz azzal foglalkozni, hogy a különböző fajok egyedei hogyan viselkednek természetes környezetükben. Ezekben a vizs- gálatokban a teljes viselkedés leírása volt a cél, ami körülbelül kétezer órányi egyedi megfi- gyeléssel ismerhető meg. Hamarosan kiderült, hogy a viselkedési mintázatok az anatómiai jegyekhez hasonlóan jellegzetes és állandó, nagyrészt genetikai meghatározottságú tulaj- donságai egy-egy fajnak. Az öröklött viselke- dési elemek funkcionálisan összefüggenek, de teljes megértésük csak az adott faj evolúciós története felderítésével érhető el. Kimutatták, hogy a legtöbb öröklött viselkedési formát a környezet jegyei, kulcsingerek váltják ki. Mes- terséges környezetben ezek jó része hiányzik, az állat természetes viselkedése nem mutat- kozik meg. Ezekkel a felfedezésekkel az álla- ti viselkedés tanulmányozása elvált az állat- pszichológiától, és mint etológia a biológiai tudományok része lett. Tinbergen, Lorenz és a méhek kommunikációját felderítő Karl von Frisch munkáját 1973-ban Nobel-díjjal ismer- ték el, és azóta szerves részévé váltak a bioló- giai stúdiumoknak.

Az is kiderült, hogy az állatpszichológusok által sokat tanulmányozott tanulási folyama- tok is fajspecifikusak, és az adott faj ökológi- ai fülkéjében zajló folyamatokhoz kötöttek.

Saját vizsgálataink a paradicsomhallal – ami egy kistermetű, levegőt légző, alacsony állóvi- zekben élő ázsiai faj, az első Európában tartott díszhalak egyike – felderítették, hogy az alap- vető tanulási folyamatokat is kulcsingerek vált ják ki. Topál Józseffel sikerült egereken is ha sonló eredménnyel megismételni a kísérle- teket (Topál – Csányi, 1994), és az eredmé- nyek megjelentek az etológiai tankönyvekben.

Miután biológiai szempontból az ember is az állatfajok egyike, humánetológia néven hamar megszületett az etológia humán terü- lete. Az emberi viselkedésben is alkalmazha- tóak az etológiai módszerek, de leginkább az a kutatási irány terjed el, amely a szociológia, pszichológia, antropológia kutatási adatainak evolúciós értelmezését tekinti feladatának. Ezt a területet is Lorenz indította el, de alapvető munkát végzett Ireneus Eibl-Eibesfeldt kul- túrantropológus, Lorenz egyik tanítványa is.

A legutóbbi időkből Steve Mithen neve em- lít hető zseniális paleontológiai-humánetoló- giai kutatásaiért.

Elnök Úr, tisztelt Közgyűlés!

Bevezetésként köszönetemet szeretném kife- jezni azért, hogy a közgyűlések történetében először szerepelhet etológiai-humánetológiai témájú előadás, valamint azért is, hogy tegnap a Közgyűlés levelező tagnak megválasztotta a második etológust, tanítványomat, Mikló- si Ádám professzort. Valamint Nagy Andrást külső tagnak, aki szintén a tanítványom volt hosszú ideig egy másik tudományterületen.

Az állatok viselkedésének tanulmányozá- sa a pszichológiában indult meg az 1800-as évek vége felé, főként azért, mert úgy gon- dolták, hogy néhány laboratóriumban tart- ható állat, mint a galamb vagy patkány, al- kalmas modellje lehet emberi viselkedésfor- mák tanulmányozásának, és leginkább a ta- nulási folyamatokra voltak kíváncsiak. Az effajta kutatás teoretikus háttere az volt, hogy az alapvető tanulási folyamatok minden ge- rinces állatban azonosak. A tanulódobozok- ba zárt és jutalmazott vagy büntetett állatok valóban sok mindent megtanultak, és az ál- lati viselkedésről az az általános vélemény alakult ki, hogy az állat voltaképpen nem más, mint egy reflex masina, amely képes külső ingerekre megfele lő válaszokat adni, és jelen- tős a tanulási képessége is.

1 Az MTA 187. közgyűlésén elhangzott előadás szer- kesztett változata.

Az állati viselkedés tanulmányozásának úttörői:

Karl von Frisch, Niko Tinbergen és Konrad Lorenz – Nobel-díj 1973

1427

Magyar Tudomány • 2016/12

1426

A humánetológa egyik legizgalmasabb kérdése az, hogy hogyan alakult ki az együtt- működő, nyelvet beszélő, közösségekben élő Homo sapiens a ma élő főemlősök életmódját folytató ősökből. A csimpánzoktól 6,5 millió éve vált el a homo vonal, és a 4,5 millió éve élt Aridipithecus ramidusról tudjuk, hogy már

nemcsak a csimpánzokra jellemző, ágak kö- zöt ti életmódot folytatott, hanem élete jó ré szét a talajon töltötte.

Nagyon sokféle anatómiai különbséget találunk a Homo sapiens és az őt megelőző ősök között. A nagyobb agyméret, a felegyene- sedés, a manipulációkra alkalmas kéz, a cso- portagresszió-mértéket jellemző testsúlykü- lönbségek a hímek és nőstények között, va- lamint a hímszemfogak méretének lecsökke-

Összehasonlító etológiai vizsgálatok alap- ján feltételezzük, hogy a csimpánzokkal közös ős hozzájuk hasonló életmódon élt, amit az jellemez, hogy a harminc-negyven főből álló csapat elfoglal egy nagy, megélhetéséhez elegendő, területet, és azt a hímek hatásosan védelmezik idegen csoportbéli fajtársaikkal szemben. Igen magas a belső agresszió szint- je is. A csimpánzok egyedül alszanak, egyedül táplálkoznak, és csak a rövidebb napközbeni pihenési periódusban gyűlnek össze némi szociális kommunikációra. Intenzív a versen- gés az erőforrásokért, a táplálékért, alvóhelye- kért, nőstényekért. Együttműködés főként a terület védelme során alakul ki vagy ritkáb- ban a hímek közös, alkalmi vadászata során.

Az emberré válás legfontosabbnak tűnő eseménye az, hogy megváltozik a környezeti tényezők szerepe az ősök életében. A csimpán- zoknak és más főemlősöknek is a táplálékfor- rások, ragadozók, tehát a biológiai környezet az ökológiai fülkéjük legfontosabb elemei. Az

emberős számára fokozatosan, ahogyan a közösségek kialakulása megindult, egyre in- kább a fajtársak jelentik a legjelentősebb környezeti tényezőt. Sokféle genetikai válto- zás történt, hogy az új ökológiai fülkéhez adaptálódjék.

Az evolúciókutatásban óvatosan kell értel- mezni az ok és okozati viszonyokat. Külön- böző fajok változásait a legegyszerűbben úgy érthetjük meg, ha feltételezzük, hogy a tulaj- donságok sokdimenziós terében léteznek stabil élhető foltok, és ha egy-egy faj ilyenek- re eljut, sok ezer generáción keresztül élhet biz tonságosan. Az előbb foglalkoztam a csimpánzéletmóddal. Ez is stabil. Az ember- ré válás során az archaikus közösségeket az alacsony belső agresszió (a csoportok közötti nem változott), a csoport tagjainak szoros fi- zikai közelsége, a hosszabb-rövidebb idejű táborozás, az együttműködés, a közös vadá- szat és a szexuális viselkedés jelentős változá- sa, valamint a kölykök gondozási idejének jelentős megnövekedése jellemzi. Ez is stabil életmódnak bizonyult, noha ebből az együt- tesből még hiányzik a nyelv!

Az állatok, még a legfejlettebbek is, igen korlátozott kommunikációs képességekkel rendelkeznek. Még a csimpánzok sem hasz- nálnak több mint tizenöt–húsz genetikailag meghatározott, többnyire érzelmi állapotot jelző jelet. Az állatok is gondolkodnak, de gondolkodásuk valószínűleg túlnyomórész képi alapú, és a fajtársak közötti átadásra al- kalmatlan. Az állat, bármilyen fejlett legyen is, az elméje börtönében él. Apró kivételektől eltekintve csak és kizárólag a saját tapasztala- tait hasznosíthatja egész élete során. Ebből az is következik, hogy az emberi közösségek, amelyek evolúciója millió években mérhető, legfontosabb funkcióikat nyelv nélkül vala- miféle „szociális megértés” révén, amelyben

szerepe lehetett gesztusoknak, mimikának is, voltak képesek teljesíteni (Donald, 1991).

Itt érdemes megemlítenem a tudatról szó ló cambridge-i nyilatkozatot. 2012. július 7-én a cambridge-i Francis Crick Emlékkon- ferencián számos, a tudattal foglalkozó neves agykutató közös nyilatkozatot tett arról, hogy az ember és az állatok között a tudat meg- nyilvánulásában nem minőségi, csupán fo- kozati különbségek vannak.²

The Cambridge Declaration on Consciousness The absence of a neocortex does not appear

to preclude an organism from experiencing affective states. Convergent evidence indi- cates that non-human animals have the neuroanatomical, neurochemical, and neu- rophysiological substrates of conscious states along with the capacity to exhibit inten- tional behaviors. Consequently, the weight of evidence indicates that humans are not unique in possessing the neurological sub- strates that generate consciousness. Nonhu- man animals, including all mammals and birds, and many other creatures, including octopuses, also possess these neurological substrates.

Ezzel René Descartes-nak az állatokra mint biológiai gépekre vonatkozó nézeteinek cáfolatát véglegesnek tekinthetjük

Ez természetesen a nyelv kialakulása előtt élt emberősökre is vonatkoztatható, ha meg- nése ilyenek (Brace, 1973).

Ezek a Homo erectus megje- lenésétől kezdve gyorsulnak fel, de nem adnak kielégítő magyarázatot az emberi kö- zösségek kialakulására, ab- ban valószínűleg a párkap- csolat, monogámia, vala- mint a felismert apaság ját - szott fontos szerepet (Csá- nyi, 1999, 2015).

2 A cambridge-i nyilatkozat a tudatosságról írója Philip Low, a szöveg szerkesztésében részt vett Jaak Panksepp, Diana Reiss, David Edelman, Bruno Van Swinderen, Philip Low és Christof Koch. A nyilatkozatot a nyil- vánossággal Low, Edelman és Koch ismertette meg a 2012. július 7-én a Cambridge-i Egyetemen rende- zett Francis Crick Emlékkonferencia a tudatosságról az emberi és nem emberi állatban című rendezvény során.

A konferencia résztvevői még azon az estén Stephen Hawking jelenlétében írták alá a nyilatkozatot.

Csányi Vilmos • Etológia, ember, társadalom

1429 1428

tagadnánk a fejlettebb állatoktól a gondolko- dás lehetőségét, nehezen magyarázhatnánk az ember kialakulását.

Arról nagy viták vannak, hogy mikor és miért jelent meg a beszélt nyelv, és milyen összefüggésben áll a közösség formálásához szükséges egyéb tulajdonságokkal. Vannak, akik azt gondolják, hogy a nyelv fokozatosan, évmilliók alatt jelent meg, mert ezzel is nö- vekedett az emberősök adaptációs képessége.

Mások azt gondolják, hogy a nyelv mind- össze néhány tízezer éves, hirtelen jelent meg, és ennek legfőbb bizonyítékaként a komplex barlangrajzok, eszközök sokaságának megje- lenését, a temetés, vallási szertartások hirtelen felbukkanását tekintik.

Az állati létből kifejlődő emberősök közös- ségének legfontosabb bizonyítéka az, hogy nyelv nélkül is lehet szociális megértéshez jutni. Ehhez a kérdéshez járult hozzá majd húszéves munkánk az Eötvös Loránd Tudo- mányegyetem Etológiai Tanszékén, amely- nek során a kutyát használtuk mint modellt az ember nyelv előtti kommunikációjának vizsgálatára (Csányi – Miklósi, 1998).

A kutya ugyanúgy, mint az ember, farkas életéből belépett egy új ökológiai fülkébe, az emberi közösségbe, és itt tartózkodását olyan genetikai változások tették lehetővé, amelyek éppen az emberrel kapcsolatos szociális meg- értést célozták. A kutyának ugyanaz a prob- lémája, mint a nyelv előtti embernek: társai (ember) viselkedéséből kell megértenie, hogy milyen helyzet van éppen, mi következik, neki mi lehet a feladata, mikor végzi jól vagy rosz- szul a dolgát. Tudjuk, hogy a farkasból kifej- lődött kutya a háziasítás 50–70 ezer éve alatt mintegy huszonhét gén mutációja segítségé- vel remekül megtanulta ezt a feladatot.

A mellékelt táblázaton felsoroltam azokat a szociális viselkedési formákat, amelyek bi- zonyos analógiákat mutatnak az emberi vi- selkedésformákkal, és egyben jelzik, hogy melyek lehetnek azok a tulajdonságok, ame- lyeket az ember is ki kellett fejlesszen közös- ségi életéhez a nyelv kialakulása előtt.

Az időkorlátok miatt csupán az első há- rom tulajdonságról mutatok egy-egy kísérle- ti ábrát. A kutyáknál jól kimutatható a refe- renciális kommunikáció megjelenése. Tár-

gyakra, személyekre történő mutatás megér- tése és adott esetben használata. Egy kísérlet- sorozatban a kísérletvezető kezével mutatja egy apró jutalomfalat lelőhelyét. Ezt a kutyák több mint 90%-os valószínűséggel megértik mindössze néhány próba után, a farkasok nem, és az irodalmi adatok szerint a csimpán- zok sem. Ez a különbség nem azt jelenti, hogy a farkas vagy a csimpánz elmebeli képességei alacsonyabbak lennének, hanem azt, hogy a referenciális mutatás számukra értelmezhe- tetlen. Normális farkas vagy csimpánz a saját

életében nem találkozik olyan társsal, aki élelmet ajánlana fel számára, tehát az emberi mutatást sem képesek értelmezni. A kutyák ebben kiválóak.

A következő ábra a kiegészítő együttmű- ködésről szól. Csoportban együtt vadászó állatoknál is előfordul valamiféle együttmű- ködés, de ezek analízise azt mutatja, hogy ez parallel kooperáció, az egyedek csupán eltű- rik, hogy társuk ugyanazt a prédát hajtsa vagy kapja el. Nincsen kiegészítő, feladatmegosztó kooperáció közöttük.

1431

Magyar Tudomány • 2016/12

1430

Mi vakvezető kutyákon vizsgáltuk ezt a kérdést. Azt találtuk, hogy az utcán közleke- dő vak–kutya párosok mozgásában gyakori döntéshelyzet alakul ki. El kell indulni, meg- állni, megfordulni, lelépni, fellépni, irányt változtatni. A vak ember tudja, hogy hova kíván menni, de nem látja a közlekedési hely- zetet, járműveket, akadályokat stb. A kutya észleléseire kell támaszkod nia. Egy tízperces séta alatt több mint száz döntés is adódhat, és sokféle különböző látóképességű ember és kutya párosok viselkedésének vizsgálatából az derült ki, hogy az esetek átlag ötven százalé- kában a vak ember dönt, a másik ötven szá- zalékban a kutya. A döntést domináns pozí- ciónak tekintjük. Tel jesen vak ember esetében a kutya dominanciája akár a 80 százalékot is elérheti. Lényeges megfigyelés, hogy a döntő személy állandóan változik, az hol a kutya, hol a vak, vagyis a kutya nemcsak dönteni képes, hanem arra is, hogy a döntés jogát az embernek visszaadja. Valószínűleg a legtöbb állatot meg lehetne arra tanítani, hogy min- dig ő döntsön, vagy arra, hogy soha ne dönt- sön, de csak az em ber és a kutya képes arra, hogy a dominanciát ilyen rugalmasan kezelje.

A harmadik ábrán az imitáció képességét demonstráljuk. Egy labdaadogató szerkezet apró karjának a lenyomása után egy labda pattan ki a dobozból. Három csoportban vizsgáltuk a kutyák viselkedését. A kontroll nem kapott segítséget, de kértek tőle labdát, a demonstrációs csoport tagjainak a gazda megmutatta, hogy a doboz hogyan működik, és a középső csoportban csupán megérintet- te a dobozt. Jól látható, hogy a demonstráció igen sikeres, a másik két csoport, amelyek tagjaitól csak kérik a labdát, ugyancsak lema- rad a keresésben (Kubinyi et al., 2003). Ugyan- csak gyorsan megtanulják a kutyák a csináld amit én feladatot, amelyben egy emberi tevé- kenységet kell utánozniuk akkor is, ha életük- ben először látták. Ezt a csimpánzok és del- finek is képesek megtanulni, de csak igen las san. Kutyáknak sokszor három nap elegen- dő a feladat megtanulására.

A referenciális kommunikáció, a kiegészí- tő együttműködés és az imitáció tulajdonságai alapvetőek minden közösség működésében, és az itt bemutatottaknál jóval nagyobb számú kutyakísérleteink szerint ezek már a nyelvi képesség kialakulása előtt megjelenhettek.

Érdemes összehasonlítani a kutya–ember analógiákat a humán viselkedési komplexszel (Csányi, 1999), mert ez mutatja, hogy a na- gyon változatos különbségek egyik kisebb, de összefüggő alcsoportját alkotják az általunk kimutatott analógiák.

A HUMÁN VISELKEDÉSI KOMPLEXUM I. Szociális viselkedésformák

• szociális vonzódás, zárt csoport;

• csoportindividualitás, csoporthűség, csök- kent és szabályozott belső agresszió, rang- sor: szabálykövető dominancia, idegen- gyűlölet, táplálékmegosztás, kiegészítő együttműködés. Elmeteória, referenciális kommunikáció;

• többfunkciójú szexualitás, párkapcsolat, szülői gondoskodás.

II. Viselkedésszinkronizáció

• Az emóciók szinkronizációja: empátia, hip- nózis, megváltoztatott tudatállapot;

• mímelés;

• viselkedési szinkronizáció: szociális tanulás:

másolás, imitáció, mintakövetés, tanítás elfogadása, fegyelmezés, szabálykövetés;

• érzelmi és viselkedési szinkronizáció: rit- mus, ének, zene, tánc, rítus.

III. Konstrukcióképesség

• a kommunikáció képessége több modali- tásban, mímelés, nyelvhasználat;

• absztrakciós képesség, virtuális realitások,

• tárgyak használata és készítése, logikai szer- vezés: gépek, technológiák;

• szociális konstrukciók, személyes és cso- portakciók, kiegészítő kooperáció.

Az emberi evolúció legfontosabb esemé- nye a nyelvet beszélő közösségek megjelenése.

Röviden a közösségek kialakításának képes- sége velünk született szociálisrendszer-szerve-

ző képesség, amelynek működése vezetett az emberi kultúrák kialakulásához. Nyilvánvaló, hogy a közösség fennmaradását a nyelv meg- jelenése, akárhogyan is történt, elképesztő erővel segítette. A gondolatait kommunikál- ni képes Homo sapiens közösségei az evolúció folyamatában minőségileg új, nagyhatású és elsöprő sikerű formációt képviseltek.

Az emberi közösségek alapja velünkszüle- tett szociális rendszerszervező képesség, amely négy alapvető tulajdonságon nyugszik:

1. Szeretünk közös akciókban részt venni, 2. gyorsan alakítunk ki és tartunk fenn kö-

zös hiedelmeket,

3. könnyen hozunk létre szociális konstruk- ciókat,

4. közösségeinkhez hűségesek vagyunk.

Rendszerelméleti szempontból ez a négy tulajdonság roppant érdekes együttest alkot.

Az első három tulajdonság egy zárt, pozitív visszacsatolási mechanizmusnak felel meg, és ez hozza létre a közösség kultúráját, amelyhez hasonló sem található az állatvilágban. A hűség tulajdonsága akkor jelenik meg, ha ez a visszacsatolási mechanizmus működik, és egyértelműen azt jelenti, hogy a hűséges kö- zösségi tag hajlandó a saját érdekét a közösség érdeke mögé sorolni.

Az archaikus közösségekre ez a definíció pontosan illik. Modern időkben a populáció elképesztő növekedésével olyan csoportok, szervezetek jöttek létre, amelyek nem képesek teljesen megfelelni a négy kritériumnak, még- is működőképesek hosszabb-rövidebb ideig.

Ritkán jelenik meg bennük a hűség kompo- nens. Ha megvizsgáljuk, hogy a különböző szerveződésekben hogyan érvényesülnek ezek a kritériumok, könnyen eligazodhatunk.

Vegyük például a párkapcsolatot, a legki- sebb lehetséges közösséget. Jó párkapcsolat csak akkor alakulhat ki, ha vannak közös Csányi Vilmos • Etológia, ember, társadalom

1433 1432

akciók és közös hiedelmek, és olyan a szoci- ális konstrukció, hogy a pár mindkét tagja úgy érezheti, alkotója a kapcsolatnak. Ha ezek működnek, megjelenik a hűség.

Bár a kutatók többsége a nyelv evolúcióját lassú, folyamatos változásnak gondolja, van- nak, akik egy hirtelen kedvező mutáció fellépé- sével magyarázzák a nyelv megjelenését. Idén jelent meg Robert Berwick és Noam Choms- ky jelentős tanulmánya, amely a nyelv elsőd- leges funkciójának nem a kommunikációt, hanem a gondolkodás elősegítését tekinti.

Könyvük címe, a Miért csak mi kérdése arra hívja fel a figyelmet, hogy nincsenek olyan állatok, amelyek az emberi nyelvhez hasonló, csak primitívebb vagy gyengébb változatok- kal kommunikálnának (Berwick – Chomsky, 2016). Szerintük az emberi agy fejlődése során olyan gondolkodási mechanizmusok alakul- tak ki, amelyek alkalmasak hierarchikus gondolati struktúrák gyors generálására, ame- lyeket azután a test motoros rendszerei visel- kedéssé alakítanak, és ez az alapja a szociális megértésnek. Amikor egy kisebb embercso- portban olyan mutációk jelentek meg, ame- lyek a hierarchikus gondolati struktúrákat lineáris nyelvi konstrukcióvá alakíthatták, villámgyorsan kialakult a gondolati struktú- rák megosztásának képessége. A beszélt nyelv- vel nemcsak érzelmeket, de gondolatokat is képesek vagyunk társainkkal közölni. Talán azzal lehet ezt egy biológusnak kiegészítenie, hogy a nyelv előtti világban létező és működő gondolati struktúrák elemei a nyelv megjele- nésével csupán egy-egy jelet kaptak – a szava- kat, amelyek a közösségtől származtak, és egy-egy komplexebb gondolat társaknak tör ténő átadása ezek után gyorsan megvaló- sulhatott a szavak lineáris sorba fejtésével, aho gyan ezt minden nyelv beszélői teszik.

Feltételezéseink szerint az emberi közösségek

kialakulása hosszú, évmilliós folyamat volt, ez lényegében a nyelv nélküli gondolkodás bonyolódásának periódusa, és a nyelv véletlen megjelenése csupán a már meglévő gondola- ti konstrukciós képességet alakította kommu- nikációs eszközzé, létrehozva ezzel egy szoci- ális megismerő rendszert.

Hosszan lehetne tárgyalni a közösségek természetét, de én most egyetlen komponens tulajdonságaira szeretném felhívni a figyelmet, mert ez az a komponens, amelynek nincsen semmiféle előzménye az állatvilágban, és ami olyan közösségi formát hozott létre, amely az állati csoportok fejlődésében elképesztő ug- rást tett az ember számára lehetővé.

Ez a tulajdonság a hiedelmek képzésének, kommunikációjának képessége.

Emlékeztetnék arra, hogy az állati elme gondolatainak börtönében él, azokat átadni nem tudja. Az ember kapcsolata a való világ dolgaival az élő és élettelen környezettel, saját csoportjával teljesen más, amint elménk az érzékszervek működése alapján felfog valamit a világból, egy tárgyat, egy élőlényt, egy jelensé- get, egy személyt, az érzékek közvetítette ta- pasztalatot azonnal egy gondolati burokba csomagolja. A valóság tényei és a gondolati burok, valamint annak nyelvi átfordítása együt tesét hiedelemnek nevezzük, definitív értelemben. A hiedelem az egyes emberek elméjében keletkezik, ott forgatható, bővíthe- tő, összekapcsolható hasonló konstrukciók- kal, és ami a legkülönösebb tulajdonsága, a nyelv segítségével lineáris nyelvi struktúrává alakítható és megosztható a társakkal. Az em ber alaptulajdonsága az a késztetés, hogy folyamatosan megossza hiedelmeit másokkal.

Csak utalok az amerikai Richard Lee-re aki részletesen tanulmányozta a bushmanok kul- túráját, és azt találta, hogy az egyébként igen sanyarú körülmények között élő nép napi

idejének a legnagyobb részét beszélgetéssel tölti. A beszélgetés a hiedelmek cseréje. A közösség működése során hatalmas hiede- lemkészlethez jut, amely alapja a világképé- nek. A legtöbb hiedelem alapja valamilyen tapasztalati tény, de nagyon bizonytalan, belső érzéseink, emocionális állapotunk is lehet hiedelmek alapja. Hosszú távon a káros vagy valótlan hiedelmek kikopnak a kultú- rákból, és azok maradnak meg, amelyek a tényekkel, a valósággal funkcionális kapcso- latban vannak. Hiedelmeknek köszönhetjük a technikákat, a vallásokat, a tudományokat, az ideológiákat és a mindennapi élet megany- nyi közös szokását. A mai modern időkben is hiedelem kérdése, hogy például hiszünk-e az evolúcióban, a klímaváltozásban vagy abban, hogy az ember az állatok közül fejlő- dött ki.

Az idő rövidsége miatt Szent Ágoston el- képzelését mutatom be a hiedelmekről ezer- hétszáz évvel ezelőttről. (Vallomások VI. könyv, V. fejezet).

„Fontolóra vettem ugyanis, milyen tömér- dek dologban hiszek, habár sohasem láttam őket, és megtörténtüknél sem lehettem jelen.

Mennyi esemény akad a népek történetében, mennyi minden itt-ott, helyeken, városok- ban, és sohasem láttam őket. Milyen sokat hittem a jó barátaimnak, tömérdek dolgot az orvosaimnak és annyi különféle emberi szájnak. Ámde ha mindezeknek nem adnánk hitelt, a kisujjunkat sem mozdíthatnánk meg ebben a földi életünkben. És elvégre alapos szilárdsággal elhiszem, hogy miféle szülőktől származom, holott tudomásom erről sem le- hetne, ha a hallomásnak nem adnék hitelt.”³ Ma sem tudnék pontosabb leírást adni. A hiedelmek képzéséhez absztrakció szükséges.

Valószínűleg a közösség elképzeléséhez volt szükséges az absztrakciós képesség, aki a kö- zösséget akarja elképzelni, ami nála több, nála hatalmasabb, előtte is volt, utána is lesz, gon- doskodik róla, az képes az absztrakció ra, és

3 Fordította: Vass József (1917)